6 月 2 日消息，據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所官網(wǎng)，透明導(dǎo)體兼具導(dǎo)電性與透明性，廣泛應(yīng)用于觸控屏、太陽能電池、發(fā)光二極管、電致變色和透明顯示等光電器件，成為現(xiàn)代信息與能源技術(shù)中不可或缺的核心材料。

目前主流的透明導(dǎo)體來源于摻雜本來透明的帶隙材料（半導(dǎo)體或絕緣體），摻雜過程以犧牲部分透明性為代價(jià)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，導(dǎo)電與透光之間相互制衡。為突破這一局限，一種無需摻雜的本征透明導(dǎo)體概念于 20 年前（2005 年）被提出，通過一種非常特殊的金屬能帶結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)理想透明，但至今從未在實(shí)際材料中被發(fā)現(xiàn)。

近日，中國(guó)科學(xué)院物理研究所 / 北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的博士生吳正冉等在陸凌研究員的指導(dǎo)下，于一類有機(jī)電荷轉(zhuǎn)移鹽中首次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了這種本征透明金屬，并將這種新的透明波段起名為“超帶隙”。

IT之家從官方介紹獲悉，金屬中的超帶隙是指介于帶內(nèi)吸收和帶間吸收之間的一段無吸收波段，和傳統(tǒng)絕緣體帶隙中沒有光學(xué)吸收的原理一致；實(shí)現(xiàn)超帶隙的特殊電子結(jié)構(gòu)需要其金屬帶足夠孤立，金屬帶帶寬小于費(fèi)米面與其他占據(jù)態(tài)和非占據(jù)態(tài)之間的能量差，使帶內(nèi)躍遷引起的吸收可以被金屬帶帶寬截?cái)啵藥?nèi)吸收的截?cái)嗄芰坑中∮趲чg吸收的起始能量，從而打開超帶隙（圖 a,b）。為了尋找這樣的超帶隙金屬，研究團(tuán)隊(duì)的胡孝磊博士曾經(jīng)對(duì)整個(gè)無機(jī)材料數(shù)據(jù)庫(kù)做過高通量搜索，Phy. Rev. Materials 6, 065203 (2022)，但對(duì)應(yīng)到實(shí)際體系卻一無所獲，絕大多數(shù)材料在實(shí)驗(yàn)上并不導(dǎo)電。

▲ 圖：超帶隙透明導(dǎo)體的理論原理、材料預(yù)言、和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)沒有放棄，在最新的工作中，他們計(jì)算發(fā)現(xiàn)一類已知的有機(jī)導(dǎo)體 TMTTF2X 可以符合超帶隙條件（圖 c,d），并用電化學(xué)結(jié)晶生長(zhǎng)了樣品（圖 e），塊體單晶在預(yù)言的超帶隙波段展現(xiàn)出顯著的透明窗口（圖 f,g），范圍從可見紅光至近紅外，在 30 微米厚度下依然能透光。其最低的光學(xué)損耗（介電函數(shù)虛部）約為 0.01，這一數(shù)值在已知化學(xué)計(jì)量比金屬中最低，與商用透明導(dǎo)電氧化物薄膜 (ITO) 持平，同時(shí)其色散與反射又均低于 ITO。這一工作首次在實(shí)驗(yàn)上將電子導(dǎo)電性與光學(xué)透明性結(jié)合于本征固體材料之中，開辟了通過超帶隙實(shí)現(xiàn)透明導(dǎo)電的新路徑。

相關(guān)成果以“Hyper-gap transparent conductor”為題發(fā)表在 Nature Materials 雜志。中國(guó)科學(xué)院物理研究所 L01 組博士生吳正冉為第一作者，SC08 組副研究員李春紅協(xié)助生長(zhǎng)了樣品，L01 組已畢業(yè)的胡孝磊博士、博士生陳鯤、郭祥，及博士后李妍都參與了此工作，論文通訊作者為陸凌研究員。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院的資助。